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二十二碳六烯酸(DHA)生产工艺简介(三)

发布时间:2018-09-28 来源:/news/83.html


五、DHA的微胶囊化

1、概念

生物微胶囊是一种将生物大分子或微生物、动植物细胞,包封在一层亲水性的半透膜内所形成的珠状微胶囊。生物微胶囊制备技术是20世纪末发展起来的一项新型技术,它已在细胞和酶的固定化、微生物和动植物细胞大规模培养、药物控制释放等诸多领域得到广泛运用,并展现出良好的发展前景。

微胶囊技术是指把分散的固体、液体或气体物质完全包封在一层半透膜中形成微小粒子的技术。微胶囊通常是在囊壁内填入囊心(又称包容物)配制而成。壁材是决定微胶囊性能的最重要因素,不同的应用条件对微胶囊壁材有不同的要求。原则上,只要能够包囊芯材成膜的高分子材料都可作为微胶囊的壁材。

天然或合成高分子材料是制作囊壁的良好基材。天然高分子材料主要有植物胶、阿拉伯胶、海藻酸钠、卡拉胶、琼脂等,其次是淀粉及纤维素衍生物,如糊精、低聚糖、甲壳素等。国外开发了乳化性、成膜性及致密性良好的淀粉衍生物作为包埋香精的壁材。此外明胶、酪蛋白、大豆蛋白、蜡(虫蜡、石蜡、蜂蜡)等也是很好的壁材。这类材料无毒或毒性很小、黏度大、易成膜,但机械强度差,其中淀粉及纤维素不耐酸、不耐高温、易水解。人工合成高分子材料主要有聚酯、聚醚、聚酰胺等。这类材料具有良好的机械性能,并且容易通过化学或物理修饰进行控制。通常要根据芯材的物理性质来选择适宜的壁材,不同的芯材需要不同类型的壁材。一种理想的壁材必须具有如下特点:(1)高浓度时有良好的流动性,保证在微胶囊化过程中有好的可操作性能;(2)良好的溶解性能;(3)在加工过程中能够乳化囊心形成稳定的的乳化体系;(4)胶囊易干燥及容易脱落;(5)对于活性生物的微胶囊材料需有很好的生物相容性。

    合成高分子壁材则可显示化学“裁剪”的优势。微胶囊囊壁的形状与所填物质状态有关,一般来说,含固体的微胶囊形状与固体相同,含液体或气体的微胶囊的形状为球形。微胶囊的大小一般在2~1000μm范围内。囊壁因有许多微孔而具有良好的半透性。液体囊心或水溶性囊心可以通过溶解、渗透或扩散过程,透过囊壁释放出来。其释放速度又可以通过改变囊壁材料的化学组成、厚度、硬度、孔径大小等加以控制。即使是致密壁材内的囊心,在控制压力、紫外线强度等外界因素的作用下,也可以人们期望的速率释放出来。微胶囊的特殊结构使囊心与外界环境相互隔离,使其免受外界温度、氧气和紫外线等因素的影响;即便是性质不稳定的囊心,也不易发生化学变化。微胶囊的特殊结构还可以使原本会发生反应的几种组分分开,使其“各自为政”,保持“原汁原味”,并可根据需要控制它们的分离或混合。因此,根据不同特殊应用的要求,制备有特定结构的含不同囊心的微胶囊,将它们搀杂到应用体系

中,能显著改善产品性能,提高其附加值,起到非同寻常的效果。

2、微胶囊技术的发展概况

    微胶囊技术大概始于20世纪30年代,当时大西洋海岸渔业公司(Atlantic CoastFishers)提出了在液体石蜡中,以明胶为壁材制备鱼肝油一明胶微胶囊的方法。20世纪50年代,微胶囊技术开始取得重大成果,其中利用机械方法制备微胶囊的先驱者是美国的Wurster,在40年代末他首先采用空气悬浮法制备微胶囊,并成功的用于药物包衣,至今仍常把空气悬浮法成为Wurster法。美国NCR (国家先进出纳)公司的Green是利用物理化学原理制备微胶囊的先行者, 50年代初他发明了相分离复合凝聚法制备含油明胶微胶囊,取得了专利,并用于制备无碳复写纸,在商业上取得了极大的成功,由此开创了以相分离为基础的物理化学制备微胶囊的新领域。50年代末到60年代,人们开始将聚合法应用于微胶囊的制备,发表了许多以高分子聚合反应为基础的化学方法制备微胶囊的专利,其中以界面聚合反应的成功最引人注目。70年代以来,微胶囊制备技术日益成熟,应用范围也由最初的药物包覆和无碳复写纸扩展到食品、轻工、医药、石化、农业及生物技术等领域。

3、微胶囊的特性表征及传质规律

3.1 微胶囊的特性表征

微胶囊的主要功能是保护膜内物质和控制物质渗透,因此膜的强度和渗透特性是微胶囊的主要性能指标。目前,国际上通用截割相对分子质量作为微胶囊的重要性能表征。然而截割相对分子质量只反映了微胶囊对不同相对分子质量溶质的阻隔能力,对于低于截割相对分子质量的溶质分子就不能予以反映。鉴于微胶囊的阻隔作用与超滤膜(截留蛋白)和微滤膜(截留细胞)相仿,而微胶囊传质机理则与透析相似。因此可以建立以下特性表征参数。

3.1.1 平衡分配系数K

    平衡分配系数是平衡状态下溶质在微胶囊中的浓度和主体溶液的浓度之比。反映了微胶囊膜在平衡状态下对物质的整体透过能力。

3.1.2 截留率R

    截留率是溶质在主体溶液中的浓度和溶质在微胶囊中浓度之差占溶质在主体溶液中的浓度的百分率。截留率反映了不同相对分子质量溶质通过微胶囊膜的透过特性。

3.1.3 截割相对分子质量

    截割相对分子质量被定义为微胶囊膜不能透过的大分子的最低相对分子质量。

3.1.4 最大孔径dequ

    截割相对分子质量一定程度上反映了膜孔径的大小,其最大孔径不会超过截割相对分子质量所对应的分子的直径。

3.1.5 透过速率J

    透过速率为单位时间单位胶囊外表面透过的溶质的质量。

4、传质规律

微胶囊不论用于什么方面,都涉及到物质的截留和传递,而微胶囊的大小、微胶囊膜的厚度、微胶囊膜的孔径都不同程度的影响微胶囊膜的渗透扩散性能。

4.1 扩散系数的影响

    微胶囊的扩散过程包括两部分:一是微胶囊膜中的传递过程,有效扩散过程系数Dm(常数);二是微胶囊内的传递过程,有效扩散系数为Di(常数),两者都为非稳定扩散。D是膜相有效扩散系数和膜内有效扩散系数的比值,反映了膜相和膜内扩散阻力的大小。D远大于1时,膜内扩散为控制扩散;D1时,则Dm=Di,底物在膜相与膜内具有相同的扩散能力;D远小于1时,膜相扩散为速率控制步骤,传质阻力主要集中在膜相。

4.2 微胶囊粒径大小的影响

    减小粒径等效于延长扩散时间。同时,粒径的减小还会增加微胶囊的传质面积。

4.3 膜厚的影响

    D远大于1时,膜厚对扩散没有影响;D小于1时,膜越厚,越慢达到平衡,平衡浓度越低;D越小,膜厚影响越大,微胶囊内部浓度分布越慢趋于平衡,平衡浓度越低。综上所述,通过控制微胶囊的制备条件提高微胶囊膜的通透性以增大膜相扩散系数,在制备条件允许的情况下尽量减小粒径,在保证膜强度的前提下减小膜厚度。

4.4 分类

    微胶囊根据其囊壁材的不同可分为不透微胶囊和半透微胶囊。

5、微胶囊制备

    在工业或实验室中,微胶囊化的具体制备方法很多,有化学方法、物理化学方法和物理方法。其中物理方法需要较复杂的设备,投资较大;化学法包括界面聚合、原位聚合、乳化、辐射化学法等;物理化学法一般有相分离法(含水溶液相分离和有机相分离两种)、溶剂蒸发法、界面沉积法以及喷雾干燥法等;物理法包括静电沉积法、气相沉积法、流化床喷雾法、真空蒸汽沉积法等。化学方法和物理化学方法一般通过反应釜即可进行,因此应用较多。

    微胶囊的制作过程是先将芯材加工成微粉状,分散在适当介质中,然后引入壁材(成膜物质),使用特殊方法将壁材物质在芯材粒子表面形成薄膜(也称外壳或保护膜),最后经过化学或物理处理,达到一定的机械强度,形成稳定的薄膜(也称为壁膜的固化)。制作微胶囊最关键的是芯材物质的选择和成膜技术。选择芯材的原则是既要考虑芯材的物性,又要兼顾芯材和壁材的相容性及二者的相互作用

5.1 化学法

5.1.1 界面聚合法

    界面聚合的基本原理是将两种带不同活性基团的单体分别溶于两种互不相溶的溶剂中,当一种溶液分散到另一种溶液中时,在两种溶液的界面上单体相遇生成了一层聚合物膜。常用的活性单体有水溶性二()元醇、二()元胺、二()元酚和油溶性二()元酰氯、二()异氰酸酯等。反应后分别形成聚酰胺、聚酯、聚脲或聚氨酯。如:

如果被包裹物是亲油性的,应先将被包裹物和油溶性单体溶于有机溶剂,然后将此溶液在水中分散成很细的液滴,再在不断搅拌下往水相中加入含有水溶性单体的水溶液,于是在液滴表面上很快生成一层很薄的聚合物膜。经沉淀、过滤和干燥工序后,便得到包有液滴的微胶囊,其结构如图1所示。如果被包裹的是水溶性物,则整个过程正好与上述方法相反。

5 界面聚合法制备微胶囊示意图

由于聚合反应中常有小分子酸或碱生成,因此界面聚合法制备微胶囊时,要求被包裹物能耐酸碱性,并不会与单体发生反应。此外,包入微胶囊中的微量多余单体的去除也是必须认真对待的技术问题。界面聚合法所得微胶囊的壁薄,被包裹物渗透性较好,通过改变搅拌速度或加入不同的适量表面活性剂可以得到不同粒径和分布的微胶囊。不同单体聚合时因交联程度不同可以得到不同厚度、硬度的囊壁,壁材上的微孔大小也可得到控制。

5.1.2 原位聚合法

    即单体成分及催化剂全部位于芯材液滴的内部或者外部,发生聚合反应而微胶囊化界面聚合和原位聚合法均是以单体为原料,并经聚合反应形成囊壁。原位聚合法的必要条件是:单体是可溶的,而聚合物是不可溶的。与界面聚合法相比,可用于该法的单体很广,如气溶胶、液体、水溶性的或油溶性的单体或单体的混合物,低分子量的聚合物或预聚物等。因此,各种各样的材料均可用来构成囊壁。

5.1.3 锐孔法

锐孔法可采用能溶于水或有机溶剂的聚合物作壁材。其固化通常是采用加入固化剂或热凝聚来完成,也可利用带有不同电荷的聚合物络合来实现。近来,多采用无毒且具有生物活性的壳聚糖阳离子与带有负电荷的多酶糖如海藻酸盐、羧甲基纤维素、硫酸软骨素、透明质酸等络合来形成囊壁。

锐孔法是因聚合物的固化导致微胶囊囊壁的形成,即先将线性聚合物溶解形成溶液,当其固化时,聚合物迅速沉淀析出形成囊壁。因为大多数固化反应即聚合物的沉淀作用,是在瞬间进行并完成的,故有必要使含有芯材的聚合物溶液在加到固化剂中之前,预先成型,锐孔法可满足这种要求,这也是该法的由来。

5.2 物理法

5.2.1 喷雾干燥法

    喷雾干燥法将芯材分散于囊壁材料的稀溶液中,形成悬浮液或乳浊液。用泵将此分散液送到含有喷雾干燥的雾化器中,分散液则被雾化成小液滴,液滴中所含溶剂迅速蒸发而使壁材析出成囊;喷雾干燥法应用于疏水性、亲水性及与水反应的物质的微胶囊化。与其它工艺相比,该法操作简单,只需一道工序就可获得良好的粉末或颗粒。影响该过程的因素是芯材与壁材的比例、初始溶液的浓度、粘度及温度。此外,壁材的物理性质也决定着囊壁的性能。由于喷雾干燥的干燥速度很快,而且物料的温度不会超过气流的温度,喷雾干燥法很适合于热敏材料的微胶囊化。喷雾干燥法存在两个缺点:一是蒸发温度高且暴露在有机溶剂/空气中,活性物质易失活;二是由于溶剂的快速除去,囊壁上易有缝隙,致密性差。这些缺陷在低温操作下可避免。

5.2.2 空气悬浮法

    空气悬浮法又称流化床法或喷雾包衣法,其工作原理是将芯材颗粒置于硫化床中,冲入空气使芯材随气流做循环运动,溶解或熔融的壁材通过喷头雾化,喷洒在悬浮上升的芯材颗粒上,并沉积于其表面。这样经过反复多次的循环,芯材颗粒表面可以包上厚度适中且均匀的壁材层,从而达到微胶囊化目的。

5.2.3 真空蒸发沉积法

该法是以固体颗粒作为芯材,壁材的蒸气凝结于芯材的表面而实现胶囊化。

5.2.4 静电结合法

    该法又称复凝聚法,适用于对非水溶性的固体粉末或液体进行包囊。先将芯材与壁材各制成带相反电荷的气溶胶微粒,而后使它们相遇通过静电吸引凝结成囊。实现复凝聚的必要条件是:有关的两种聚合物离子的电荷相反,且离子所带电荷数恰好相等。此外,还必须调节体系的温度和盐的含量。该法多与其它方法融合来制备微胶囊。复凝聚法具有这样一个优点,即非水溶性的液体材料不仅能够被微胶囊化,而且具有高效率和高产率。

5.2.5 溶剂蒸发法

    适用于非水溶性聚合物对活性物质的包囊。即将芯材、壁材依次分散于有机相中,然后加到与壁材不相溶的溶液中,加热使溶剂蒸发,壁材析出而成囊。

5.2.6 包结络合物法

    该法是利用β-环糊精中空且内部疏水外部亲水的结构特点,将疏水性芯材通过形成包结络合物而形成分子水平上的微胶囊。

5.2.7 挤压法

    挤压法是一种比较新的微胶囊技术,特别适用于包埋各种风味物质、香料、维生素C和色素等热敏感性物质,因为其处理过程采用低温方式。原理是将混悬在一种液化的碳水化合物介质中的芯材与壁材混合物经过模孔,用压力将其挤进壁材的凝固浴,壁材析出并硬化成囊。流程为先将芯材分散到熔融的碳水化合物中,然后将混合液装入密封容器,在压穿台上利用压力作用压迫混合液通过一组膜孔而呈丝状液,挤入吸水剂中。当丝状混合液与吸水剂接触后,液状的壁材会脱水、硬化,将芯材包裹在里面成为丝状固体,尔后将丝状固体打碎并从液体中分离出来,干燥而成。

5.3 物理化学法

5.3.1 水相分离法

    即由胶体间电荷的中和以及亲水胶粒周围水相溶剂层的消失而成囊的方法。水相体系中的相分离法可分为复凝聚法、单凝聚法、盐凝聚法和调节pH值聚合物沉淀法。

1)复凝聚法

利用两种聚合物在不同PH时,电荷的变化(生成相反的电荷)引起相分离-凝聚,称作复凝聚法。如用阿拉伯胶(带负电荷)和明胶(pH在等电点以上带负电荷,在等电点以下带正电荷)作囊材,药物先与阿拉伯胶相混合,制成混悬液或乳剂,负电荷胶体为连续相,药物(芯材)为分散相,在40~60℃温度下与等量明胶溶液混合(此时明胶带负电荷或基本上带负电荷),然后用稀酸调节pH4.5以下使明胶全部带正电荷与带负电荷的阿拉伯胶凝聚,使药物被包裹。同阿拉伯胶一样带负电荷与明胶发生复凝聚作用,作制囊材料的天然植物胶有,桃胶、果胶、杏胶、海藻酸等,合成纤维素有CMC等。

2)单凝聚法

将一种凝聚剂(强亲水性电解质或非电解质,如硫酸钠、硫酸铰、乙醇、丙醇)加入某种水溶性囊材的溶液中(其中已乳化或混悬芯料),由于大量的水份与凝聚剂结合,使体系中囊材的溶解度降低而凝聚出来,最后形成微囊。或将药物分散在含有纤维素衍生物的与水混溶的有机溶剂中,后加无机盐类的浓溶液,使囊材凝聚成囊膜而形成微囊。高分子物质的凝聚是可逆的,在某些条件下(如高分子物质的浓度、温度及电解质的浓度等)出现凝聚,但一旦这些条件改变或消失时,已凝聚成的囊膜也会很快消失,即所谓解聚现象。这种可逆性在制备过程中可以利用,使凝聚过程多次反复,直至包制的囊形达到满意为止。最后利用高分子物质的某些理化性质使凝聚的囊膜硬化,以免形成的微囊变形、囊结或粘连等。

3)挥散有机溶剂法

将药物均匀混悬或乳化于溶有囊材的有机溶剂中,然后将混合液加热挥散有机溶剂,由于囊材沉积而形成微囊。

5.3.2 油相分离法

    其原理是向作为囊壁材料的聚合物有机溶剂溶液中,加入一种对该聚合物为非溶媒的液体,引发相分离形成微胶囊。该法适用于水溶性或亲水性物质的微胶囊化,所分离出来的聚合物的数量和状态,取决于体系中聚合物的浓度、沉淀剂的用量及温度。其胶囊化的关键是:在体系中形成可以自由流动的凝聚相,并使其能稳定地环绕在芯材微粒的周围。还有一点重要的是芯材在聚合物、溶剂和非溶剂中不溶解,且溶剂与非溶剂应相互混溶。油相分离法存在污染、易燃易爆、毒性等问题。另一方面,溶剂价格高,产品成本高。

5.3.3 干燥浴法(复相乳化法)

    该法的基本原理是将芯材分散到壁材的溶剂中,形成的混合物以微滴状态分散到介质中,随后,除去连续的介质而实现胶囊化。

    根据所用介质的不同,可分为W/O/W型和O/W/O型的复相乳液。

1W/O/W复相乳液法

    该法应用于水溶物质的微胶囊化。其操作过程包括:①将成膜聚合物溶解在与水不混溶的溶剂(此溶剂的沸点比水高)中;②芯材的水溶液分散在上述溶液中,形成W/O乳液;③加入做保护胶稳定剂的溶液并分散开,形成W/O/W型复相乳液;4)除去囊壁中的溶剂,形成微胶囊。最后的溶剂通常用蒸发、萃取、沉淀、冷冻干燥等手段除去。起始溶液的粘度、搅拌速度、温度及保护胶的用量对微胶囊的粒度大小和产率有很大影响。

    W/O/W型复相乳液的优点是体系稳定,不必调节pH值或剧烈加热,也不需特殊的反应试剂,且包囊过程中不会引起任何质变,适合于活性物质的包囊。但也有一个缺陷,即形成W/O/W乳液后,需很长时间从包围在水溶液周围的聚合物溶液中排除溶剂,通常用萃取聚合物的溶剂或冷冻干燥法来克服此问题。

2O/W/O复相乳液法

    O/W/O型乳液法的实质是用水溶性的成膜材料对油溶性物质的微胶囊化。其操作过程与W/O/W复相乳液法相似,最后还要增加一步,即从囊壁中除去用作介质的油。

    干燥浴法(复相乳液法)制备微胶囊时,若成膜过程依赖于溶剂的挥发,则在所制备的微胶囊的囊壁上会形成小孔或气泡,小孔大小及孔隙率与温度(挥发速度)有关。如果欲获得比较致密的囊壁,则挥发速度不能太快,固化过程可能要持续若干小时,这是干燥浴法的一个缺点。

5.4 熔化分散冷凝法

    即当壁材(蜡状物质)受热时,将芯材分散在液态蜡中,并形成微粒()。当体系冷却时,蜡状物质就围绕着芯材形成囊壁,从而产生了微胶囊。除上述一些方法外,还有一些新的方法:

5.5 超临界流体快速膨胀法/超临界抗溶技术

    这是两种基于超临界流体(SCF)的新型微胶囊化方法,利用超临界流体具有低粘度、低密度、高溶解力、高扩散力、高分散性等优点。超临界流体快速膨胀法(RESS)常用来包埋热敏性的物料,其过程与喷雾干燥法相似,将溶有壁材的超临界流体喷雾到一个低压喷嘴(喷雾塔)内,活性组分经小孔释放,压力的突降使得壁材中的溶剂蒸发并沉积在活性组分表面,形成微囊。

5.6 分子包接法

这是与以上方法不同的微胶囊技术,微囊化发生在分子水平上,是一个分子对一个分子的包埋。芯材(客体)与“空穴”壁材(主体)经超分子作用,主要靠氢键、范德华力、熵驱动的憎水效应等连接起来。目前食品工业中应用的具有分子水平“空穴”的壁材主要是环状糊精,有α、β、γ三种,分别由678个葡萄糖以α-1,4键结合而成,其分子外型呈圆台,表面是亲水区,内有一中空的近似圆柱形的疏水区,其空穴尺寸为5~8能容纳617个水分子。一些极性较低的芯材可取代空穴中的水形成稳定的络合物,此络合物在干燥情况下很稳定,可以耐受200℃;在口腔的许多生物组分和适宜的温湿度下,芯材可被释放。β-环状糊精是研究和应用最多的,其相对分子质量为1135,而空穴能容纳的分子大小为150,理论上的最大包埋率约11%(w/w),而比空穴大的分子不能完全被包埋,一端进入腔中,亲水端露在外面,另外环状糊精的溶解度低、成本高也限制了这一技术的大规模应用。所以这一技术在实现大规模工业化生产中困难较大,需要深入研究。

    总之,在设计一种微胶囊时,必须依据芯材特性和对所需微胶囊的性能要求选择适当的微胶囊化方法。考虑选定方法下的各种因素,或综合几种微胶囊化方法,将其中的有益性能优化,可望制备出适合实际需要的微胶囊产品。由于微胶囊的化学与物理性质可根据需要选择,具有其它物质所不能具备的优异功能。因此,微胶囊化技术作为一种有效的商品化技术,已经得到广泛应用。作为这一技术的延伸,纳米微胶囊已经受到关注,相信这一技术会具有更为宽广的发展前景。

6、微胶囊的应用

6.1 微胶囊在医药方面的应用

许多药物分子结构中的某些成分会对舌头味蕾或鼻腔有刺激性,这种苦味或难闻的气味给病人尤其是老人和儿童带来了服用上的困难。微胶囊化技术使这一问题迎刃而解。该技术借助于人体消化系统不同部位消化液的组成和pH值的差异及不同囊壁溶解环境的不同要求,不仅可以达到控制不良味道的目的,还可以使药物在所需部位控制释放。例如,由邻苯二甲酸醋酸纤维素制成的肠溶药物微胶囊因其在中性口腔环境及酸性胃液中均不溶解,避免了食药之苦和对胃壁黏膜的刺激。

    另外,许多化学药物都有一最佳疗效浓度范围,浓度过高会对人体产生较明显的毒副作用;浓度过低则起不到应有的治疗效果而贻误病情,同时造成药物的浪费。通过调整微胶囊壁的厚度、材料、微孔大小等,可以控制药物向外扩散的速度,使囊内药物与体内药物呈现一种动态平衡,适时向人体内释放药物,保证药物维持最佳药效浓度。活的生物细胞经微胶囊化以后,可以保持其生物活性,这项微胶囊化人造细胞已经取得了成功。例如,用有生物活性的胰岛素制成的微胶囊,可以有效地控制糖尿病患者体内的血糖水平。在这方面,特别令人振奋的是将酶、蛋白质或其他生物活性物质、药物与磁性材料一起微胶囊化,这种微胶囊化的“航空母舰”,在外加磁场的“精确制导”下,通过血液循环等能够迅速驻扎于人体的特定位置,对病变组织进行针对性的“轰炸”,避免了“伤及无辜”,从而有效地控制药物在人体内的按需分布,提高药物释放的靶向性和药用效率。

    利用活性炭过滤血液,吸附其中的毒废物是医学上常用的血液净化方法。但当活性炭与血液直接接触时,除了会有细小的活性炭混入血液中造成毛细管堵塞外,活性炭还会对血细胞特别是血小板有很强的凝聚副作用。采用高分子半透膜把活性炭包覆起来形成的活性炭微胶囊,可以很方便地将活性炭与血细胞隔离,而又保持活性炭对血液中毒废物的吸附作用。这种方法去除毒废物效果较传统的透析法要好,而且速度比透析法还快得多。因此,此技术可望在不远的将来替代传统的透析法。

6.2 微胶囊技术在食品工业中的应用

    微胶囊在食品工业中的应用主要包括食品微胶囊化、食品添加剂微胶囊化、营养素微胶囊化及酶的微胶囊化。微胶囊技术在食品及调味品方面的应用十分广泛。

6.2.1 香料

    长期以来,人们都是将天然香辛料直接加入菜肴调味,而有些香辛料如花椒、大料等,由于本身的特性决定了它在菜肴中不能被充分利用,造成了很大的浪费,同时又不便于使用。在科学技术突飞猛进的今天,人们对调味品提出了更高的要求,要求使用方便,易于携带,储存时间长。除了将食品添加剂微胶囊化,食品营养素、酶等也可进行微胶囊处理。茉莉花茶是我国的特产,据统计,近几年茉莉花茶的年加工量均保持在11万吨左右,并畅销国内外。但传统加工花茶的方法是在茉莉花开花季节,采鲜花与干茶层层相间叠压窨制,一定时间后再将茶叶与花分开,弃去残花。吸附花香的茶叶需烘干,脱去窨花时带进去的水分,这使香气损失不少。而且这种作坊式的加工手续繁杂,常受季节与地域的限制,损耗高,生产量也极为有限。如采用生物微胶囊技术将天然提取的茉莉花香气成分固定化,并添加于干茶中,不但可避免季节和地域对生产茉莉花茶的限制,而且保香期长,不易变质。同时简化窨制工艺,提高生产效率。

6.2.2 乳制品

    在乳品生产中,应用微胶囊技术,可生产各种风味奶制品,如可乐奶粉、果味奶粉、姜汁奶粉、发泡奶粉、啤酒奶粉、粉末乳酒及膨化乳制品等。将大麦牙、啤酒花、香精以一定比例混合包埋后再与奶粉、NaHCO3等以一定比例混合后干燥、包装,制得保健啤酒奶粉,具有冲调性好、啤酒风味突出、泡沫洁白细腻等特点。

6.2.3 茶饮料

    β-CD较适合于包埋茶汤中的儿茶素等物质,有利于茶汤原有的风味和色泽,将红茶用

水经95℃萃取后迅速冷却至35℃再用β-CD处理,过滤后可得澄清透明、风味良好的茶饮料。在绿茶中,加入β-CD可包埋芳香物质,减少其在加热杀菌中的变化和包埋臭味物质。β-CD还可提高速溶茶香气、防止茶叶提取物乳化、有利于速溶茶赋形和防潮、延长保质期、包埋芳香物质、给茶叶调香等。

6.2.4 糖果

    在糖果生产中,用β-CD包埋胡萝卜素、核黄素、叶绿素铜钠、甜菜红等,对糖果进行调色,经日光照射不褪色。营养素经包埋后加入糖果中,可强化糖果营养,产品亦不会产生风味劣变、氧化酸败,并能延长保质期。用β-CD包埋大豆磷脂,并进行均质和喷雾于燥后加入糖果中,可明显掩盖其异味。香精经β-CD包埋后加入糖果中,其挥发性、热分解和氧化作用显著减慢。经微胶囊化的香精具有较大的稳定性和特殊的水溶性,制成干剂后利于生产加工。在果汁奶糖的生产中,将果汁包埋后再加入奶粉、炼乳中制成奶糖,可防止果汁中的单宁、有机酸等成分与奶中蛋白质反应而变性和降低营养价值,并能改善产品品质,提高人体对蛋白质的吸收率。

6.2.5 油脂

    油脂是人们日常生活和食品加工的重要物质,但油脂易氧化变质,氧化后的油脂会产生不良风味,并引起机体的氧化,从而引发癌症和人体衰老。另外,油脂的流动性差,给调料和汤料在包装和食用时带来很大不便。经微胶囊化处理后,可将油脂制成粉末,克服了油脂本身的缺点。使其成为性质稳定、取用方便、流动性好且营养价值高的优质原料。

6.2.6 甜味剂、防腐剂和抗氧化剂

    微胶囊化是一种稳定食品添加剂的方法。阿斯巴甜作为一种广泛应用的甜味剂,通常将其以微胶囊的形式包裹在脂肪、油、淀粉等材料内,以防因水、高温等而带来的甜味丧失。为防止食品污染,可将柠檬酸、抗坏血酸、乳酸等胶囊化,作为杀菌剂,起到食品防腐作用。茶多酚是一种天然的食品抗氧化剂,它还具有降血糖血脂、抗菌消炎、清除人体自由基、抗癌、抗衰老等一系列药理作用。但茶多酚易溶于水,难溶于油。微胶囊技术既可提高茶多酚的稳定性,以免遭外界因素的破坏,又使其适用于油溶性食品的抗氧化,扩大其使用范围。天然维生素E作为一种抗氧化剂,有其独特的优点,为增加其稳定性,用水包油的乳化系统对其加以乳化包囊,使其应用更为广泛、有效。

6.2.7 饮料

    利用微胶囊技术制备固体饮料,可使产品颗粒均匀一致,具有独特浓郁的香味,在冷热水中均能迅速溶解,色泽与新鲜果汁相似,不易挥发,产品能长期保存。如芦荟( Aloe)中含有多种游离氨基酸和生物活性物质,其营养价值和有效成分都很高。但新鲜的芦荟液汁中有效成分的性质不稳定,易挥发,而且芦荟汁中有一种令人难以接受的青草味和苦涩味,直接用于食品不宜被人们接受。采用微胶囊技术将其包埋处理,可减少或消除异味、稳定其性质,并能延长保存期。

6.2.8 酶制剂

    酶为生物催化剂极不稳定,在食品加工过程中易受外界因素影响而失活。控制酶释放的常用方法是用脂质体将其包埋,常用的脂质体为磷脂。脂质体包埋的酶除作为控制释放系统外,还可作为固定酶反应器,提高酶的稳定性,允许反应底物和产物自由进出,并利于酶的回收。

6.2.9 膨松剂

    利用微胶囊技术对膨松剂进行包埋,可有效地控制气体的产气速度,林家莲等用淀粉和固体奶油采用复相乳化法对Ca(H2PO4)·H2O进行包埋,并在馒头中应用,试验发现可改善膨松剂的产气性能,效果佳。

6.2.10 微胶囊化微生物

    双歧杆菌必需到达人体肠道才能发挥生理功能,而其对营养条件要求高、对氧极为敏感、对低pH值的抵抗力差以及胃酸的杀菌作用等使得产品中绝大多《现代食品科技》Modern Food Science and Technology Vol21 No3(85)数活菌被杀死。采用微胶囊技术可以保护双歧杆菌以抵抗不利的环境,有报道采用双层包裹法,用棕榈油作内层壁材将双歧杆菌包裹起来,再用大分子明胶溶液包裹制成双层微囊,活菌数高、保存性好,可到达人体肠道,发挥相应的生理功能,真正起到有益于健康的作用。

6.3 在卷烟生产上的应用

    国外微胶囊技术已经应用到卷烟工业的生产中,在我国,微胶囊技术应用于卷烟工业尚处于研究阶段。微胶囊技术在卷烟工业中的应用有着广阔的前景,它将对传统的卷烟添加剂产生创新的变革。烟草在加工精制过程中需在烟丝中添加不同组合的香料物质,以制成多种风味不同的卷烟,因此,香烟的香料配方与添加工艺一直受到格外重视。目前存在的问题是烟卷点燃后,烟头温度可达800℃,靠吸附作用粘附于烟丝的香气物质,受高温的影响极易挥发,致使烟卷的香气总是刚开始抽时可被明显感受到,而后则锐减,这对烟草风味的显现十分不利。

    在卷烟的加香过程中,采用微胶囊技术将液体香料转变成固体粉末香料,改善了卷烟的理化特性,使消费者获得特定的味觉、嗅觉和触觉的感受,并增进卷烟的可接受性。富含香气成分的生物微胶囊可降低高温对香气物质的影响,将其均匀洒布在烟丝或过滤嘴中,可使吸食烟卷的整个过程都能明显地感受到香味。不仅可防止抽吸前香味的挥发,而且防止了成分直接燃烧而改变香味。同时,对于容易变质和敏感性高的香料,经微胶囊化后使之免受外界因素的影响,提高了贮藏稳定性。烟叶在调制、存贮及自然陈化过程中许多成分会发生变化,如蛋白质、淀粉、烟碱等在陈化过程中进行转化、降解反应形成可溶性的糖和氨基酸。微胶囊能使活性生物物质的外面形成保护层包膜,这样能避免活性生物物质直接与空气接触从而避免影响生理活性,同时还能有效地控制活性物质的释放速度。另外,为了提高烟叶的质量,添加活性物质来改变烟叶中某些组分,从而达到有舒服口感的目的。

6.4 在纺织工业中的应用

    在纺织工业上,已有微胶囊技术的应用和研究,给纺织染整技术带来了极大的革新和进步。具体应用表现在微胶囊染料和涂料的染色和印花、微胶囊功能整理剂、微胶囊加工制剂(包括消毒剂、洗涤剂、漂白剂等)方面。以染料为芯材,各种天然或合成的高分子作壁材,制作的微胶囊染料根据织物的不同需要及工艺,结合转移印花、多色微粒印花、静电印花技术,较传统的热转移印花技术,具有匀染性好、上染速度快、节省材料等优点。

利用微胶囊技术可以提高纺织品的舒适性和增加其功能性。对纺织品的功能整理包括柔软、防皱、防水、防油、防污、防老化、阻燃、阻热、抗静电、抗菌杀虫、芳香等。由于织物必需耐洗,对于开发具有高附加值的微胶囊技术来说,条件极为苛刻,技术难度较大。对于微胶囊表面上的何种官能团,应予导入织物表面并与织物表面上的何种官能团结合,以及活性微胶囊本身的固着问题,都有待解决。

6.5 微胶囊在化妆品中的应用

    目前由于化妆品的功能化,常在传统的油质或水基的膏、霜、奶、乳、液等化妆品中加入一些以微胶囊形式使用的维生素、氨基酸、激素、酶营养剂等功能性物质。其中的酶微胶囊对皮肤有增加柔软和润湿作用的木瓜蛋白酶、对皮肤有保健作用的胃蛋白酶、具有杀菌功能的溶菌酶;洗发剂中加入微胶囊化的润湿剂及营养剂,在洗发时,微胶囊破裂粘附于头发表面起到润湿及营养作用。

6.6 微胶囊在摄影材料中的应用

    在感光材料中,卤化银常以明胶混合物为囊芯、以纤维素类为壁材的微胶囊形式使用,可以提高成像分辨率。同样可以将感光剂卤化银与成色剂进行组合成囊芯,然后进行包覆。通常相片的显影与定影均在显影液和定影液中进行,将上述两种溶液经微胶囊化后涂覆在底版或相纸上,可很方便地用压辊压破微胶囊进行显影和定影。

    微胶囊技术从20世纪50年代进入实用阶段以来,已经得到了广泛的应用,这项技术的发展大大地提高了其它行业产品的技术含量,然而对于微胶囊技术本身,在理论上和应用方面还有一些问题需要深入研究。首先,有必要完善表征微胶囊性能。能够全面准确地表征微胶囊的性能,是微胶囊深人研究的基础,也是其有效应用的关键。其次,要研究芯材的扩散机理。另外,从目前研究状况来看,生物微胶囊要获得进一步的应用,其关键问题是制备出生物相容性好、性能参数适宜和制备成本低的微胶囊。同时生物微胶囊在应用上必须满足以下条件:(1)对生物物质没有毒害作用;(2)必须使氧气、营养物质等小分子物质顺利通过半透膜,并具有良好的传质性质和截留性质;(3)物理化学性质稳定,并达到一定的机械强度。

 

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